CC BY
57
УДК 621.3.051.025
РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СЕТИ В СОВЕТСКО-ГАВАНСКОМ ЭНЕРГОУЗЛЕ ХАБАРОВСКОГО КРАЯ
© М.Ю. Комаров1, Н.В. Савина2
Амурский государственный университет,
675000, Россия, г. Благовещенск, Игнатьевское шоссе, 21.
Анализ современного состояния электроэнергетики Советско-Гаванского энергоузла с учетом реализации Федеральной целевой программы «Экономическое и социальное развитие Дальнего Востока и Забайкалья на период до 2025 г.» показывает, что действующая схема электрических сетей не отвечает в полной мере современным требованиям и не позволяет обеспечить электроснабжение потребителей с требуемой степенью надежности. В статье предлагается реализация технологий интеллектуальной сети в Советско-Гаванском энергоузле Хабаровского края.
Ил. 1. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: концепция Smart Grid; надежность электроснабжения; потери электроэнергии; экономическая эффективность.
SMART GRID TECHNOLOGY IMPLEMENTATION IN SOVETSKO-GAVANSKY ELECTRIC GENERATION SYSTEM OF KHABAROVSK KRAI M. Yu. Komarov, N.V. Savina
Amur State University,
21 Ignatievskoe Shosse, Blagoveshchensk, 675000, Russia.
Having analyzed the modern condition of power engineering of the Sovetsko-Gavansky electric generation system, and taking into account the implementation of the Federal Target program of " Far East and Transbaikalia economic and social development until 2025", the authors show that current electric network diagram does not meet modern demands and lacks in providing consumers with required reliability of power supply. The article proposes to implement smart grid technologies in the Sovetsko-Gavansky electric generation system of the Khabarovsk krai. 1 figure. 4 sources.
Key words: Smart Grid concept; power supply reliability; electric energy losses; economic efficiency.
В настоящее время актуальной задачей является кардинальное обновление электроэнергетики России на базе отечественного и мирового опыта, преодоление нарастающего технологического отставания, морального и физического старения основных фондов, повышение надежности энергоснабжения и на этой основе снижение роста тарифов на электрическую энергию.
Советско-Гаванский энергорайон Хабаровского края отнесен к регионам с высокими рисками нарушения электроснабжения. В настоящее время электроснабжение Советско-Гаванского энергоузла осуществляется от малоэкономичной Майской ГРЭС и Хабаровской энергосистемы по единственной одно-цепной ВЛ 220 кВ «Комсомольская-Ванино» с ПС 220 кВ «Ванино» протяженностью 388 км.
Доля выработки Майской ГРЭС в общей потребности энергоузла составляет около 32%, а большую часть электроэнергии потребители получают из энергосистемы.
В течение 2013 г. неоднократно расследовались технологические нарушения в работе оборудования транзита 220 кВ «Комсомольская-Ванино», привед-
шие к выделению на изолированную работу Майской ГРЭС. Данные отключения приводят к значительному ограничению электроснабжения потребителей Советско-Гаванского энергоузла, в том числе социально-значимых объектов, систем жизнеобеспечения и опасных промышленных объектов.
Анализ современного состояния электроэнергетики Советско-Гаванского энергоузла с учетом реализации федеральной целевой программы «Экономического и социального развития Дальнего Востока и Забайкалья на период до 2025 г.» показывает, что действующая схема электрических сетей не отвечает в полной мере современным требованиям и не позволяет обеспечить электроснабжение потребителей с требуемой степенью надежности в т.ч. по следующим причинам:
- ненадежна связь Советско-Гаванского энергоузла с энергосистемой, пропускная способность которой ограничена;
- средства компенсации реактивной мощности (СКРМ), установленные на шинах 10 кВ ПС 220 кВ Ванино в 2003 г. (конденсаторная часть - 6х4,8 Мвар, реакторная часть - 2х11,7 Мвар), работают без си-
1Комаров Михаил Юрьевич, магистрант, тел.: 89098198430, e-mail: [email protected] Komarov Mikhail, Master's degree student, tel.: 89098198430, e-mail: [email protected]
2Савина Наталья Викторовна, доктор технических наук, профессор кафедры энергетики, тел.: 89246774430, e-mail: [email protected].
Savina Natalia, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Power Engineering, tel.: 89246774430, e-mail: [email protected].
стемы автоматического регулирования, что создает сложности в ведении режима напряжения. Включение в работу СКРМ в полном составе увеличивает максимально допустимый переток мощности по ВЛ 220 кВ «Комсомольская - Селихино - Уктур - Высокогорная -Ванино» по условиям статической устойчивости (у шин ПС 220 кВ Ванино) ~ до 85 МВт (величина, практически равная максимуму нагрузки ЭУ, достигнутому в 2008 г.);
- при отключении, в послеаварийных и ремонтных режимах единственной ВЛ 220 кВ, связывающей энергоузел с энергосистемой, электроснабжение энергоузла осуществляется от МГЭС, пропускная способность схемы выдачи мощности которой практически исчерпана.
В настоящей статье предлагается ряд мероприятий, направленных на повышение энергетической эффективности транзита «Комсомольская-Ванино»:
• Строительство второй линии на напряжение 220 кВ с применением новых типов высоковольтных проводов ВЛ.
• Снижение потерь электроэнергии при ее передаче, распределении и преобразовании по электрическим сетям (применение УСВЛ) [2].
• Оснащение подстанций приборами учета электрической энергии и организации процесса сбора информации на основе данных приборов учета, посредством организации системы АИИС КУЭ.
• Внедрение инновационных проектов энергетической эффективности, в том числе FACTS (установка ФПУ на концах линии).
• Замена измерительных трансформаторов на трансформаторы повышенных классов точности, в том числе трансформаторов тока и трансформаторов напряжения (ВОПТ, ВОПН).
Использование провода марки AAACZ с более гладкой, чем у обычного провода, внешней поверхностью, за счет чего он имеет следующие преимущества:
• увеличение пропускной способности ВЛ;
• снижение тепловых потерь при транспорте электроэнергии;
• значительное снижение обледенения и налипания снега на провода за счет компактности внешнего слоя проволок;
• повышение коррозийной стойкости проводов;
• значительное снижение ветрового давления на провода ВЛ за счет меньшего аэродинамического коэффициента.
Применение ВЛ нового поколения должно обеспечить экономичную и надежную передачу электрической энергии заданной мощности. Линии электропередачи нового поколения способствуют выполнению требований Федерального Закона РФ от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
ВЛ нового поколения (компактные ВЛ и управляемые самокомпенсирующиеся ВЛ (УСВЛ)) в сочетании
с устройствами FACTS, по сравнению с ВЛ традиционной конструкции, позволяют [3]:
• увеличивать пропускную способность;
• снижать суммарные затраты на 10-20% в расчете на единицу передаваемой мощности;
• осуществлять принудительное перераспределение потоков активной и реактивной мощности;
• повышать эффективность использования устройств регулирования реактивной мощности;
• уменьшать суммарную мощность и стоимость устройств регулирования мощности и напряжения;
• снижать суммарные потери электроэнергии в энергосистеме;
• повышать механическую устойчивость ВЛ при воздействии неблагоприятных атмосферных факторов;
• сокращать в 1,5-2 раза площади земельных угодий, отчуждаемых под воздушные линии при передаче одинаковой мощности;
• обеспечивать управление величиной и направлением потоков мощности в электрических сетях.
В процессе транспорта электрической энергии предусматривается регулирование на ВЛ (УСВЛ) параметров электрического и магнитного поля фаз и цепей, благодаря чему обеспечивается управление эквивалентными параметрами и характеристиками линий электропередачи как элементов электрической сети, что целесообразно осуществлять при заданных режимных требованиях. Данное регулирование осуществляется путем изменения углового сдвига (6) между трехфазными системами векторов напряжений фаз (цепей) в пределах 6=(0+180°) с помощью фа-зоповоротных устройств (ФПУ), установленных в местах присоединения ВЛ к подстанциям [4].
Применение ФПУ на УСВЛ совместно с УШР обеспечит заданные регулировочные характеристики электропередач, высокую управляемость электрических сетей и позволит достичь существенной экономии капитальных и эксплуатационных затрат по энергосистеме в целом по сравнению с вариантами традиционных решений.
ВЛ-220 кВ нового поколения по величине передаваемой натуральной мощности превосходят аналогичные ВЛ-220 кВ (одно- и двухцепные традиционного типа) в 1,5-2 раза, удовлетворяя при этом всем установленным нормативам и требованиям действующих правил устройства электроустановок (ПУЭ).
На данный момент успешное ТЭО прошла УСВЛ-500 кВ «Богучанская ГЭС- Канск» длиной 450 км.
По концам линии возможна установка фазоповоротного устройства (ФПУ). Устройство, переключающее посредством выключателей или тиристорных ключей отпайки трансформатора, обеспечивающее регулирование фазы входного напряжения по отношению к выходному, применяется для оптимизации в установившихся режимах потоков мощности по параллельным ЛЭП.
Основные преимущества:
• соотношение величин установленной мощно-
сти фазоповоротных устройств и передаваемой мощности ВЛ;
• чувствительность ВЛ к фазовому управлению, выражаемому в виде отношения величины изменения передаваемой по линиям электропередачи мощности на каждый градус поворота вектора выходного напряжения относительно входного;
• быстродействие фазоповоротных устройств и возможность применения их для регулирования нормальных, аварийных и послеаварийных режимов;
• возможность осуществления регулирования перетоков мощности по линиям электропередачи не только по величине, но и по направлению;
• при комплексном применении фазоповорот-
печит стабилизацию напряжения на сетевом оборудовании и оборудовании подстанций, разгрузку от реактивной мощности линий электропередачи и сетевых трансформаторов и позволит:
• снизить темп износа оборудования;
• снизить поток отказов оборудования с соответствующим уменьшением числа технологических нарушений;
• снизить уровень активных потерь в линиях электропередачи и сетевых трансформаторах.
На ПС 220 кВ «Ванино» необходима реконструкция с установкой оборудования идентичного действующему, но по технологии цифровой подстанции (рисунок).
Структура цифровой подстанции, выполнен
ных устройств в сочетании с УШР получение качественно новых свойств электропередачи (при рассмотрении ее как процесса) и энергосистем (при рассмотрении как технического устройства).
Установка ФПУ совместно с УСВЛ позволит в комплексе осуществлять управление параметрами режимов электропередачи, а также управлять потоками мощности.
Увеличение пропускной способности электрической сети за счет применения ВЛ нового поколения в сочетании с устройствами FACTS оказывается одним из наиболее экономичных средств развития электрических сетей, поскольку позволяет снизить затраты на передачу мощности и энергии за счет уменьшения удельных затрат на строительство ВЛ и более эффективного использования устройств регулирования. При этом надо учитывать дополнительный эффект от применения проводникового материала линии и сокращения площади земельных угодий, отчуждаемых под ВЛ.
Нормализация параметров режимов работы обес-
в соответствии со стандартом МЭК 61850
Преимущества цифрового оборудования:
• Для сбора, передачи и обработки информации на цифровой ПС используются только цифровые сигналы, передаваемые по волоконно-оптическим кабелям. Кодирование сигналов позволяет уйти от большого количества кабелей. Возрастает надежность и точность передаваемых сигналов.
• Единая система мониторинга, телемеханики, релейной защиты.
• Гибкость конфигурирования вторичного оборудования подстанции.
На подстанции необходима установка оптических измерительных трансформаторов. Оптические трансформаторы тока свободны от многих недостатков, свойственных традиционным электромагнитным трансформаторам тока. Прежде всего это касается электро- и пожаробезопасности, экологичности, удобства монтажа и простоты обслуживания, отсутствия эффектов насыщения и гистерезиса при коротких замыканиях на линиях электропередачи и в электрооборудовании. Кроме того, трансформатор нового поко-
ления позволяет измерять параметры электрического тока без дополнительного потребления энергии из линии, в то время как измерение тока с помощью традиционных трансформаторов приводит к потерям электрической энергии (по некоторым оценкам, суммарно до 5%). Ключевой особенностью ВОПТ является представление исходной информации об измеренном токе в цифровом виде. Этот факт позволяет без дополнительных преобразований собирать, обрабатывать, хранить и передавать информацию на любые расстояния в реальном времени. Не менее важной особенностью волоконно-оптического преобразователя электрического тока является крайне высокая степень помехозащищенности его чувствительного элемента. Замкнутый (пространственно) волоконный контур, который и является чувствительным элементом ВОПТ, чувствует только электрический ток в шине, которая охвачена этим контуром. Магнитное поле электрического тока в соседних шинах, расположенных вне контура, никак не влияет на точность измерений. Кроме того, точность измерений тока никак не зависит от пространственного расположения токовой шины внутри волоконного контура и формы самого контура.
Данные от оптических измерительных трансформаторов преобразуются в широковещательные пакеты с использованием мультиплексоров, предусмотренных стандартом МЭК 61850-9. Сформированные мультиплексорами пакеты передаются по сети (шине процесса) в устройства уровня присоединения (контроллеры АСУ ТП, РЗА, ПА и др.)
Данные о положении коммутационных аппаратов и другая дискретная информация (положение ключей режима управления, состояние цепей обогрева приводов и др.) собираются с использованием выносных модулей УСО NPT Expert, установленных в непосредственной близости от коммутационных аппаратов. Передача данных от выносных модулей УСО осуществляется по оптоволоконной связи, являющейся частью шины процесса по протоколу МЭК 61850-8-1 (GOOSE). Передача команд управления на коммутационные аппараты также осуществляется через выносные модули УСО с использованием протокола МЭК 61850-8-1 (GOOSE).
Силовое оборудование оснащается набором цифровых датчиков. Уровень присоединения включает в себя интеллектуальные электронные устройства, которые получают информацию от устройств полевого уровня, выполняют логическую обработку информации, передают управляющие воздействия через устройства полевого уровня на первичное оборудование, а также осуществляют передачу информации на станционный уровень. Устанавливаются микропроцессорные защиты и контроллер присоединения NPT BAY-9-2, ПА «МПКА-2». Устройства принимают аналоговую информацию по МЭК 61850-9-2 и дискретную информацию по МЭК 61850-8-1(G00SE).
Устанавливаем многофункциональный счетчик электрической энергии серии ARIS EM2 с поддержкой протокола IEC 61850. Устройство обеспечивает изме-
рение и учет большого количества электрических параметров, а также передачу этих данных в цифровые сети подстанции. Счетчик наравне с подключением к аналоговым цепям трансформаторов тока и напряжения может использовать поток данных IEC 61850-9-2. С установкой данных счетчиков снизятся коммерческие потери до минимума.
Основные факторы эффективности практического применения элементов активно-адаптивной сети:
1. Уменьшение приростов электрической нагрузки благодаря эффективному контролю и регулированию режимов электропотребления.
2. Создание системы аккумулирования электроэнергии и ее рациональное использование в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах.
3. Более полное использование пропускной способности действующих и новых линий электропередачи.
4. Снижение земельных площадей, отводимых под электросетевые коммуникации, что особенно актуально для крупных городов и мегаполисов.
5. Повышение надежности электроснабжения потребителей.
6. Снижение потерь электроэнергии в сетях всех уровней, ликвидация коммерческих потерь электроэнергии, реализация мер по энергосбережению и управлению потреблением электроэнергии с учетом ценовых факторов.
Интеллектуальная сеть - это наиболее рациональный подход для обеспечения надежности, безопасности и энергоэффективности функционирования электроэнергетической системы.
Выводы:
1. Внедрение мероприятий по сокращению потерь позволит получить значительный суммарный энергосберегающий эффект. Внедрение оптических измерительных трансформаторов позволит снизить потери до 5 %.
2. Использование системы диагностики АТ и коммутационных аппаратов снизит риски отключения оборудования из-за аварий, приводящих к недоотпус-ку электроэнергии, выявлению на ранней стадии неисправностей.
3. Использование технологии Smart Grid приведет к снижению кабельных связей, заменив передачу и сбор данных с помощью оптоволокна, сократив при этом потери на кабеле. Установка УСО, контроллеров присоединения, устройств РЗА, противоаварийной автоматики приведет к уменьшению кабельных связей между оборудованием, к уменьшению размеров и массы, что позволит располагать их более компактно.
4. Использование приборов измерения и учета нового поколения позволит снизить экономические потери.
5. Предложенные мероприятия приведут к увеличению пропускной способности сети, позволят повысить надежность электроснабжения рассматриваемого энергоузла.
Статья поступила 26.05.2014 г.
Библиографический список
1. Правила расследования причин аварий в электроэнергетики. Утв. Постановлением Правительства РФ от 28 октября 2009 г. № 846.
2. Александров Г.Н., Евдокунин Г.А., Подпоркин Г.В. Параметры воздушных линий электропередачи компактной конструкции // Электричество. 1982. № 4. С. 10-17.
3. Постолатий В.М., Быкова Е.В. Эффективность применения управляемых самокомпенсирующихся высоковольтных
линий электропередачи и фазорегулирующих устройств трансформаторного типа. Электричество. 2010. № 2. С. 714.
4. Долгополов А.Г., Кондратенко Д.В., Уколов С.В., Постолатий В.М. Управляемые шунтирующие реакторы для электрических сетей. Problemele Energeticii Regionale. Акад. Наук Молдовы, Ин-т энергетики.^родг. A§M. 2011. № 3 (17). Р. 323.
УДК 621.311
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ АСИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С РЕГУЛЯТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТРЕХФАЗНЫХ ТИРИСТОРНЫХ МОСТОВ
А
© В.А. Пионкевич1
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Разработана математическая модель источника распределенной генерации с асинхронным генератором (АГ) на основе комплекса MATLAB с пакетами Simulink и SimPowerSystems. Рассмотрено применение регулируемого источника реактивной мощности (ИРМ) для задач регулирования напряжения и обеспечения параллельной работы двух источников распределенной генерации с АГ с использованием трехфазного тиристорного моста, функционирующего в режиме инвертора. Ил. 7. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: источник распределенной генерации с асинхронным генератором; MATLAB; Simulink; SimPowerSystems; трехфазный тиристорный мост; регулятор напряжения.
STUDYING PARALLEL OPERATION OF INDUCTION GENERATORS WITH VOLTAGE CONTROLLERS BASED ON THREE-PHASE THYRISTOR BRIDGES V.A. Pionkevich
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The author has developed a mathematical model of the source of distributed generation with an induction generator based on MATLAB with Simulink and SimPowerSystems packages. Consideration is given to the application of the controlled source of reactive power for the problems of voltage regulation and provision of parallel operation of the two sources of distributed generation with induction generators using a three-phase thyristor bridge operating in the invertor mode.
7 figures. 4 sources.
Key words: distributed energy source with an induction generator; MATLAB; Simulink; SimPowerSystems; three-phase thyristor bridge; voltage controller.
Асинхронные генераторы (АГ) находят широкое применение в качестве источников электрической энергии, особенно в нетрадиционной энергетике (микро-ГЭС, ветроэлектрические установки и др.). Их преимущества по сравнению с синхронными генераторами: меньшие габариты; лучшие показатели устойчивости параллельной работы между источниками энергии с АГ и внешней сетью; бесконтактное исполнение (при короткозамкнутой роторной обмотке); больший кпд; меньший состав высших гармонических в кривой напряжения и др. [1].
Недостатки асинхронного генератора: возбуждение АГ обеспечивается включением в его статорную цепь конденсаторных батарей (такой способ возбуждения является основным в действующих электро-
установках с АГ). При изменении режима работы АГ его возбуждение регулируется, как правило, включением или отключением части конденсаторных батарей, что предопределяет дискретность процесса регулирования напряжения, увеличение массогабаритных показателей АГ. Регулирование напряжения посредством переключения конденсаторных батарей не позволяет добиться точного согласования, и, как следствие, при этом возникают отклонения напряжения, выходящие за пределы норм качества электрической энергии в соответствии с ГОСТ.
Как путь улучшения свойств АГ предлагается применение современных полупроводниковых приборов, включаемых по схеме генерации реактивной мощности в статорной цепи АГ [1]. При этом силовая часть
1 Пионкевич Владимир Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: (3952) 405749, e-mail: [email protected]
Pionkevich Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: (3952) 405749, e-mail: [email protected]
